中国不同煤阶煤层气成藏特征对比

(中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊065007)

作者简介:汪鸿雁，出生于1971，男，江苏徐州人，高级工程师，博士，长期从事煤层气等新能源综合地质研究。地址:河北省廊坊市万庄44号箱石油分公司，邮编:065007。

国家973项目(编号:2002CB211705)资助。

高、低煤阶煤层气在储层物性、地层水矿化度、煤吸附和成藏过程等方面存在较大差异。国内学者普遍认为，高煤阶煤层因其演化程度高、割理不发育、渗透率极低而低估了勘探前景，形成了煤层气勘探的“禁区”。中国含煤盆地的地质条件和构造活动比美国复杂得多。煤层气的生成和富集有其自身的特点，多数煤层沉积后经历了多阶段、多方向的应力场转化，多数高煤级煤的形成与岩浆热变质事件有关。中国西北地区低阶煤富含煤层气资源，约占全国总资源的50%。高、低煤阶煤的天然气成因、物性特征、水文地质条件、含气性和成藏过程与低煤阶煤和国外高煤阶煤明显不同，高、低煤阶煤成藏差异非常明显。在配套条件下，它们可能形成煤层气高产富集区，形成煤层气勘探的有利地区。

煤层气，高、低煤阶

中国不同煤级煤层煤层气成藏性能对比

汪鸿雁、李景明、李健、赵群

刘洪林、李贵中、王波、刘飞

(中石油石油勘探开发研究院廊坊分院廊坊065007)

文摘:不同煤级的煤层在储层物性、地层水矿化度、煤的吸附性和煤的成藏史等方面的煤层气成藏特征差异很大。一般认为，高煤级煤层由于变质程度高、割理不发育、渗透率低，被称为煤层气勘探的禁区。事实上，煤层气的勘探前景被低估了。中国的煤层气成藏特征比美国复杂得多，主要原因是中国大部分煤层在沉积后经历了历史上多期次、多方向的应力转化，而且这些煤层的形成与岩浆作用的热事件有关。我国西北地区低煤阶煤层蕴藏着丰富的煤层气资源，约占全国煤层气总资源的50%。高煤阶煤与低煤阶煤的煤层气成因、物性特征、水文地质条件、含气量及成藏过程存在较大差异，国内外也存在较大差异。在相匹配的地质条件下，无论是高煤阶煤还是低煤阶煤都可能形成有利的煤层气聚集和勘探区。

关键词:煤层气；高级煤；低级煤

我国高煤阶煤的煤炭资源量巨大，煤层气资源量占全国煤层气总资源量的30%[1]。由于美国煤层气勘探已获成功的含煤盆地的煤阶均为中低阶，国内学者普遍认为由于煤层演化程度高、割理不发育、渗透率极低而低估了勘探前景，因此研究高阶煤层气成藏条件，开展高阶煤层气成藏机制对比研究具有重要的科学意义。为了更好地研究高煤阶成藏特征，本文通过高、低煤阶对比，重点研究了高煤阶成藏的特殊性。作为对比，RO < 0.7%定义为低煤阶煤层气藏，RO > 2%定义为高煤阶煤层气藏，RO > 0.7% ~ 2%定义为中煤阶煤层气藏。

1高低煤阶煤层气藏成因不同。高煤阶以原生和次生热煤层气为主，低煤阶以原生生物成因煤层气为主。

煤层气有生物成因和热成因两种。原生生物气是指煤化作用早期(成岩阶段)有机质在微生物作用下降解形成的煤层气；次生生物气是指中低阶煤(RO < 1.5+%)变质作用上升后，微生物形成的煤层气。原生热成因气是指有机质在变质作用过程中形成的煤层气；如果原生热成因气经过解吸-扩散-运移-再聚集，就是次生热成因煤层气。

高煤级煤层气储层主要是原生和次生热成因煤层气。以沁水盆地南部煤层气藏为代表。秦南地区煤层以高煤阶无烟煤为主，RO = 2.2% ~ 4.0%，煤层气以热成因为主。煤层气的甲烷δ13C一般较小，为-26.6‰~-36.7‰，随埋深增加而变大。这是由于煤层气解吸-扩散-运移引起的同位素分馏作用。这种由次生热引起的煤层气在国内外都很常见。停滞区受解吸-扩散-迁移分馏作用影响较小，基本维持原状。可以看出，秦南煤层气藏的煤层气成因在空间上存在分带现象:浅径流带存在次生热成因煤层气，深滞流带存在原生热成因气。

未成熟低煤阶煤层气储层主要为生物成因煤层气，代表性的煤层气储层位于美国汾河盆地。汾河盆地第三系联合堡组煤大部分地区为褐煤(RO = 0.3% ~ 0.4%)，深部有高挥发分烟煤，未成熟到产生大量热成因甲烷。其甲烷δ13C值为-60.0 ‰ ~-56.7 ‰，δD值为-307 ‰ ~-315 ‰。说明生物气是主要气体，主要是通过微生物发酵代谢形成的[2]。

低煤阶成熟煤层气藏中煤层气的成因非常复杂，包括次生生物成因、原生和次生热成因。这三种类型的煤层气存在于美国的圣胡安和银塔盆地。中国阜新盆地白垩系阜新组煤的Ro = 0.6% ~ 0.72%。根据同位素和煤层气成分分析，该区煤层气主要由次生热成因，其次为次生生物成因。

高、低煤阶煤吸附量差异较大，高煤阶区煤吸附量大，含气量高。

煤的变质程度决定了煤层气的生成量和煤的吸附能力，从而对煤层气含气量起着决定性的作用。煤阶越高，煤层气产量越大。随着煤阶的增加，吸附量经历了低-高-低三个阶段，在Ro=3.5%时达到最大值[3]。

高煤阶煤层气储层含气量最高。秦南煤层气藏含气量一般为10 ~ 20m3/t，最高可达37m3/t..除了煤阶的影响，保存条件也起了一定的作用。

低煤阶未成熟煤层气储层含气量普遍较低。如汾河盆地煤层气含量一般为0.78 ~ 1.6m3/t，最大不超过4m3/t..低煤阶成熟煤层气储层含气量较高。犹他州中部上白垩统费隆砂岩段费隆煤层气储层含气量为0.37～14.3 m3/t，一般为5～10 m3/t..阜新盆地煤层气含量一般为8～65438+100 m3/t，由于成岩作用弱，低煤阶煤层气储层的顶底板封闭能力低于高煤阶煤层气储层。因此，对于低煤阶煤层气藏，地下水动态封堵尤为重要。由于低煤阶煤层气藏含气量很低，必须开发极厚煤层使煤层气资源丰富，高渗透率使单井泄油半径大，才有商业开发价值。

高低煤级物性差异的实质是物性变化的双重性，变质程度高，基质致密，煤层渗透性低。

在高煤阶的秦南煤层气储层中，储层渗透率为(0.1 ~ 5.7) × 10-3 μ m2，一般不超过2×10-3μm2。煤层孔隙主要为微孔和过渡孔，中孔和大孔很少。孔隙度在1.15%-7.69%之间，一般小于5%，对渗透率几乎没有贡献[4]。劈理闭合或充填严重，对渗透率的贡献较弱。构造裂缝是渗透率的主要贡献者。孔隙和裂缝的发育特征决定了煤层气很难从基质孔隙向裂缝扩散，吸附时间长，达到产量峰值的时间短，稳定低产的时间长[5]。

低煤阶未成熟煤层气储层基质孔隙度高，大孔隙比例高，对储层渗透率有贡献。由于割理密度低，控制储层渗透率的主要因素是构造裂缝。低煤阶成熟煤层气储层渗透率的主要贡献因素是劈理和构造裂缝；由于高煤阶煤层气储层基质孔隙度低，且多为微孔，裂隙闭合严重或被矿物充填，因此对渗透率的主要贡献者是构造裂缝。低煤阶煤层气储层的渗透率一般大于高煤阶煤层气储层的渗透率。

为了便于比较，这里采用吐哈盆地褐煤和沁水盆地无烟煤进行模拟。由于褐煤演化程度低，裂隙不发育，所以褐煤主要是多孔的。随着煤阶的增加，煤层中裂隙发育，基质变得致密，主要以裂隙的形式存在[6]。

图1高低煤阶运聚压差与系统压力的关系

在无烟煤的高压下，可以突破0.14MPa的压差；低压下可突破0.50MPa的压差；随着压力的降低，运移和聚集的压差增大。结果表明，无烟煤减压基质的膨胀性能降低，加压基质的收缩性能提高。

对于吐哈盆地的褐煤，模拟结果相反，高压下可破0.08MPa的压差，低压下可破0.03MPa的压差，使褐煤降压基质的膨胀性增加，加压基质的收缩性降低。储层物性变化的双重性反映了随着煤层气的不断开采，地层压力的不断下降，煤储层特征变化的本质(图1)。

4.构造热事件和构造应力场对煤层物性起决定性作用。

岩浆侵入引起的储层结构和构造的变化，增加了煤层气的储存空间，称为岩浆侵入的储存作用。岩浆的热烘烤使煤中的有机质挥发，留下许多密集的圆形或管状孔隙群，提高了储层的孔隙度；煤基质收缩，产生收缩裂缝；岩浆侵入的动力压缩导致外源性裂隙和内源性裂隙(解理)的叠加，改变了煤层裂隙的性质和规模，增加了裂隙的程度，增强了渗透性。

煤储层天然裂缝的壁间距对原始渗透率起着关键的控制作用。天然裂缝的壁间距是地应力大小和方向的函数，构造应力场的主应力差对岩石裂缝的壁间距和渗透率产生相反影响的情况有两种。当构造应力场中的最大主应力方向与岩层中优势裂隙群的发育方向一致时，裂隙面实质上受到相对拉伸。主应力差越大，相对张力效应越强，越有利于裂缝壁间距和渗透率的增加。而当最大主应力方向垂直于岩层中优势裂隙群的发育方向时，裂隙面受到挤压。主应力差越大，挤压效应越强，裂缝壁距越小甚至被封闭，渗透率越低。也就是说，构造应力本质上是通过控制天然裂缝的开合程度来影响储层的原始渗透率。

5水文地质条件对高低煤阶煤层气成藏控制的差异，高煤阶的滞水区是富气区

地层中高总矿化度区的形成，体现在封闭的沉积环境、半干旱的古气候、较差的漏水条件、良好的封闭条件和地层水的持续集中。同时，由于断层活动，高矿化度的地层水通过断层向上运移，造成矿化度的垂向分布，出现高值区。因此，地层水矿化度是反映煤层气运移、聚集、保存和富集的重要指标。

沁水盆地东边界金绰断裂带北段对中奥陶统含水层组具有明显的侧向阻水作用，中段具有较强的导水性和水动力条件，南段地下水径流条件极差，不导水。南界由东部导水段、中部阻水段和西部导水段组成，尤其是中部的阻水性质，对晋城地区煤层气的保存和富集起着重要作用。西边界以安泽为界，北段为阻水边界，南段由导水断层组成。里面有四个重要的水文地质边界。其中寺头断层为封闭断层，导水性和导气性差。沁水盆地中南部寺头断裂与霍金断裂南段之间的大宁-潘庄-范庄地区，山西组和太原组含水层等势面明显高于断裂东西两侧，地下水以静水压力形式明显封堵煤层中的煤层气。在寺头断裂西侧的郑庄及其附近，地下水径流强度可能较弱，更有利于煤层气的保存[7]。

高煤阶地下水滞水区是煤层气聚集的最佳场所，但近年来的勘探和研究表明，低煤阶煤层气藏，尤其是未成熟的低煤阶煤层气藏也有例外。

吐哈盆地沙尔湖地区煤层气藏古生界地层水总矿化度为20000 ~ 160000 mg/L，平均矿化度为109300mg/L，是海水(35000mg/L)的3倍多。吐哈盆地低阶褐煤含气量小于2m3/t，深度大于> 300m，煤层厚度大于50m，水矿化度这么高，含气量这么低，远低于人们的想象。以往的勘探工作已经证明，高煤阶勘探表明，高盐度对应着良好的保存条件。

实验采用不同矿化度的饱和盐水和蒸馏水进行模拟，研究不同矿化度水条件下褐煤对煤层气的吸附能力。饱和盐水模拟显示，地层压力达到1.7MPa时含气量达到2m3/t，蒸馏水模拟显示，地层压力达到2.5MPa时含气量达到2m3/t，矿化度越高，压力下降越小，地层压力梯度下降越快，储层压力越低，导致吸附能力下降，含气饱和度增加，大量气体解吸损失。

低阶褐煤吸附量低，压力变化不明显。盐度越高，吸附能力越低，气体含量越小。在地质历史时期，盐度一直在增加。高矿化度会降低吸附能力、地层压力梯度、储层压力、气体饱和度和气体解吸。高变质倾向于高盐度，表明保存条件好，代表水力蚀变弱，煤层气保存条件好。

高、低煤阶煤层气储层的差异主要体现在成藏过程的差异，高煤阶煤层气成藏过程复杂。

未成熟低阶煤层气储层的历史很简单[8]。一般来说，煤层形成后只经历了一次抬升。然而，地下水的补给、运移、排泄和停滞对煤层气藏的调整和改造起着决定性的作用。从煤层形成至今一直有气体生成，对煤层气的组成和同位素特征有影响。但目前的构造格局和地下水赋存状态是影响煤层气生成和控制成藏的关键。可见，煤层气的生成是可持续的。

成熟低煤阶煤层气藏成藏过程相对简单，以深成变质作用为主，即使有岩浆活动，也只是影响范围有限的接触变质作用。现今构造格局和地下水赋存状态是煤层气藏调整改造的控制因素。煤层气的生成期和持久性并存。最大埋深期和热演化程度决定了热成因煤层气的特征。因此，热成因煤层气的形成具有阶段性[9]。当煤层上升到微生物可以活动的深度时，开始产生二次生物气，并持续至今。可见，二次生物气的产生是可持续的。地下水的存在状态不仅影响二次生物气的生成，也影响热成因气的运移。

高煤阶煤层气藏成藏过程复杂。无论有无二次生烃，区域岩浆热变质作用都是高煤阶煤层气藏形成的必要条件。煤层气的形成具有明显的阶段性。达到最高演化程度后，不再生成煤层气，进入煤层气藏调整改造阶段。

7结论

中国高煤阶煤层气藏的成藏特征主要集中在八个方面:①煤层气成因主要是原生和次生热煤层气；(2)高煤级煤层吸附量大，瓦斯含量高；③滞水区为富气区；④煤层基质致密，渗透性低，解理断裂应力敏感；⑤构造热事件对煤层物性影响较大；⑥需要连续排水降压开采和大规模压裂；⑦多分支井技术，大大提高了单井产量；⑧积累过程复杂。

我国低煤阶煤层气藏的成藏特征主要集中在六个方面:①煤层气的成因主要是生物降解气(原生和次生)；②煤演化程度低，含气量低，含气饱和度高；(3)低煤阶盆地边缘缓慢流动晚期生物气聚集；④煤层中劈理裂隙不发育，基质疏松，渗透性高，应力不敏感；⑤以深成热变质作用为主，受构造热事件影响较小；⑥低煤阶的自救开采机制；⑦立井开采技术，小型压裂；⑧成藏过程简单，多一次沉降，多一次调整。

可以看出，高煤阶煤层气储层具有三个显著的优势:

(1)煤变质程度高，产气量大，煤吸附能力强，含气量大；

(2)构造热事件和构造应力场对煤层的物性有很大影响。构造热事件促进了大量煤层气的形成，同时改善了储层的物性。构造应力通过控制天然裂缝的开合程度来影响储层的原始渗透率。

(3)滞水和高矿化度地区的煤层气保存条件好，可以保存下来，降压排放。

参考

[1]赵庆波等2001。中国煤层气勘探研究与勘探进展，徐州:中国矿业大学。

[2]斯科特R.1993。美国选定盆地煤层气的成分和来源。1993国际煤层气会议录，209~222

桑树勋，范秉恒，Telly，等1999。煤层气的储存和富集条件。石油天然气地质，20 (2): 104 ~ 107。

傅，泰莉，姜波，等2001a。煤割理压缩实验及渗透率数值模拟。《煤炭学报》，26卷6期:573 ~ 577页。

刘洪林、汪鸿雁和张建波。2000.煤层气吸附时间的计算及其影响因素分析。石油实验地质学，22(4)

[6]汪鸿雁，刘洪林，赵清波等。2005.煤层气富集整合规律。北京:石油工业出版社。

[7]汪鸿雁等人2001。沁水盆地南部煤层气储层水文地质特征。煤田地质与勘探。

苏先波，陈江峰，孙俊民。煤层气地质与勘探开发。北京:科学出版社。

[9]Scott A.R.2002 .影响煤层中气体含量分布的水文地质因素。国际煤地质学杂志，50:363~387